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"Meßwertumformer zur Ermittlung des zu einer periodisch oszil-
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lierenden Bezugsgröße proportionalen Anteils einer Ditihr funktionell
verlgnüpSten anderen Größe" Die Erfindungbezieht sich auf einen Meßwertumformer
zur Ermittlung des bzw. der zu einer oder mehreren periodisch oszillierenden elektrischen
Bezugsgröße(n), einer Spannung oder mehreren Phasenspannungen, proportionalen Anteils
bzw. derproportionalenAnteile beliebiger Ein oder Mehrphasenströme (i) auf der Grundlage
der Gleichung
wobei bedeuten: iw - Wirkanteil des Stromes, T - Periodendauer der Bezugsgröße,
der Spannungen, U - Effektivwert der Spannung, t - Zeit,
mit mindestens
einem eingangsseitigen Multiplikator zur Bildung des Produktes aus Strom und Bezugsgröße,
einem Totzeitglied mit einer der Periodendauer (T) gleichen Signaldurchlaufzeit
und mindestens einem Integrator.
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Ein solcher Meßwertumformer findet bevorzugt Anwendung innerhalb einer
Schaltungsanordnung zur Kompensation und Symmetrierung schnell veränderlicher Blindströme
von an ein Drehstromnetz angeschlossenen Verbrauchern mit mindestens einem zwangskommutierten
und parallel zu den Verbrauchern an das Drehstromnets angeschlossenen Stromrichter
als Kompensationsstellglied, auf dessen Gleichstromseite mindestens ein Energiespeicher
angeschlossen ist, und mit einem geschlossenen Regelkreis, der Meßwandler für die
Eingangsströme des Stromrichters, Meßwandler für die Verbraucherströme und Meßwandler
für die leiterspannungen des Drehstromnetzes und Auswertungseinrichtungen umfaßt,
die die notwendigen Kompensationsströme ermitteln bzw. über Z:undimpulsbildner für
dIe Stromrichter die Einstellung des zeitlichen Verlaufes der drehstromseitigen
Ströme bewirken (ältere Patentanmeldung P 26 44 682.2).
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Gemäß dem älteren Vorschlag wird der Wirkanteil der Ströme des Kompensationsstellgliedes
durch dessen Wirkleitwert-Sollwert bestimmt. Als Sollwert für die Blindströme des
Kompensationsstellgliedes werden direkt und ohne Verzögerung die Summenmomentanwerte
der Ströme der Verbraucher und eines zu diesem parallelen dreiphasigen Kondensators
gemessen und um den Wirkanteil des Mitsystems der Verbraucherströme vermindert,
wobei der Wirkanteil mittels eines Wirkleitwert-Umformers durch automatische Multiplikation
einer dem Wirkleitwertdes Verbrauchers proportionalen Größe mit Größen, die dem
Zeitverlauf der Spannungen des Drehstromnetzes proportional sind, generiert wird.
Die Größe der Sollwerte für den Wirkleitwert des Kompensationsstellgliedes bzw.
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derjenigen für die als Kompensationsstellglied eingesetzten Vierquadrantensteller
wird durch eine Einrichtung zur Regelung der mittleren Spannung auf der Gleichstromseite
der Vierquadrantensteller bestimmt. Weitere Einzelheiten sind der älteren Anmeldung
zu entnehmen. Es ist festzuhalten, daß bei der vorgenannten Anwendung im Wirkleit
wert- Meßumformerdie Wirkanteile der Ströme zu ermitteln sind.
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Das Problem, den zu einer periodischen Bezugsgröße proportionalen
Anteil einer anderen Größe möglichst rasch zu ermitteln, kann jedoch auch bei vielen
anderen Steuerungs- und Regelungsaufgaben anfallen, z.B. bei der Ermittlung von
Stromwärmeverlusten.
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Soll gemäß obengenannten Beispiel der resultierende Blindstrom eines
Verbrauchers kompensiert werden, so kann der Zeitverlauf dieser Größe dadurch ermittelt
werden, daß man vom Gesamtstrom den Wirkanteil abzieht. Der Wirkanteil bzw ist als
derjenige Teil des Gesamtstromes definiert, der der Verbraucherspannungu im mathematischen
Sinn proportional ist. Der restliche Strom (i - iw) ist dann zu dieser Spannung
orthogonal, d.h.dasüber eine volle Periode erstreckte Integral des Produktes u (
i-iw) hat den Wert Null, der Strom ( i iw) ist ein reiner Blindstrom. Der Wirkstrom
bildet deshalb mit der Spannung einen Mittelwert der Leistung, Wirkleistung genannt,
der mit der Wirkleistung des Verbrauchers identisch ist. Wie bekannt, ist diese
Wirkleistung gleich dem Produkt aus den E,fektivwerten von Wirkstrom 1w und Spannung
U: Pw = U Iw. Wegen der Proportionalität zwischen Spannung u und Wirkstrom iwgilt
1wIw und damit u U P 1 = w . u w pw . u
Diese Formel zeigt, daß
man bei einer periodischen Bezugsgröße u mit dem konstanten Effektivwert U die Bestimmung
des zu u proportionalen Anteils einer anderen Größe i auf das Produkt aus der "Wirkleistung"
dieser beiden Größen und der Bezugsgröße u zuruckführen kann. Um die Wirkleistung
bestimmten zu können, ist ein Integral über wenigstens eine volle Periode zu erstrecken.
Den neuesten" Wert der Wirkleistung erhält man, wenn man in jedem Augenblick das
Integral des Produkts u .
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erstreckt über den gerade abgelaufenen Zeitabschnitt der Periodendauer
T, auswertet. Mathematisch ausgedrückt erhält man in jedem Augenblick t den "neuesten"
Zeitwert der Wirkleistung Pw (t) nach der Vorschrift
Der Zeitverlauf iw des zu u proportionalen Anteils von i ergibt sich dann nach der
eingangs genannten Beziehung
wobei U und T voraussetzungsgemäß konstant sind.
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Bei einem bekannten Meßwertumformer der eingangs genannten Gattung
(W.Leonhard Diskrete Regelsysteme" B-I-Hochschultaschenbücher, S. 45 - 47) wird
von der Größe p (t) = u . 1 in einem Summierer 125(Fig. 1) die gleiche, jedoch um
die Periodendauer T verzöße5rte Größe, abgezogen. Das Ergebnis wird in einem Integrierer
4 integriert. Man erhält dann das gewünschte
Signal
Der bekannte Meßwcrtuniformer funktioniert nur unter der Voraussetzung, daß alle
Elemente völlig fehlerfrei arbeiten. Jeder auch 4 so kleine Fehler in der Arbeitsweise
der drei notwendigen Funktionselemente kann durch die Integration zu beliebig großen
Fehlern des Ausgangssignals anwachsen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Neßwertumformer anzugeben, bei
dem das Ausgangssignal nur Fehler aufweist, die von vergleichbarer Größenordnung
wie die Fehler der einzelnen Fuiiktionselemente sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß ein gesteuert rücksetzbarer
Integrator an den Ausgang bzw. unter Summation der Ausgangsgrößen an die Ausgänge
der eingangsseitigen Multiplikatoren angeschlossen ist, der mit der Periodendauer
auf einen definierten Wert zurückgesetzt wird, daß ein mit der gleichen Periodendauer
arbeitendes Abtast- und Halteglied und das Totzeitglied gemeinsam am Ausgang des
Integrators liegen, wobei das erstere die Ausgangsgröße des Integrators direkt vor
dessen Rücksetzen speichert, daß der Ausgang bzw. die Ausgänge des Abtast- und Haltegliedes,
des Integrators und des Totzeitgliedes'letzterer invertiert, über den Summierer
an einen ersten Eingang eines ausgangsseitigen Multiplikators bzw. mehrerer ausgangsseitiger
Multiplikatoren angeschlossen sind, an dessen zweiten Eingang bzw. an deren zweiten
Eingängen die periodische Bezugsgröße(n) liegt bzw. liegen.
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Durch die genaue Abstimmung der Funktionselemente auf eine Periodendauer
der Bezugsgröße und insbesondere die Trennung der weiteren Auswertung vom Integratorausgang
durch das Abtast- und Halteglied wird eine Fehleraddition vorteilhaft vermieden.
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Betrachtet man das Zeitverhalten des Meßwertumformers für den Sonderfall,
daß die Summe der Produkte u . i vom Wert Null auf einen konstanten Wert springt
und vergleicht, wie zum nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert
ist,die ermittelte "Wirkarbeit" mit der wirklichen Arbeit, dem Integral über die
Produktsummen der Eingangsgrößen, so stellt man eine Differenz fest. Zum Ausgleich
dieser Differenz besteht eine Ausgestaltung des Meßwertumformers darin, daß erfindungsgemaß
zur Ergänzung des den ausgangsseitigen Multiplikatoren gemeinsam zugeführten Signales
durch eine erste Komponente im Signalzug zu den ausgangsseitigen tRultipliRatoren
ein weiteres Totzeitglied liegt, dessen Totzeit den Wert k . T aufweist, wobei k
eine Konstante ist, daß die Ausgangsgröße des weiteren Totzeitgliedes mit einem
ersten Faktor verstärkt und in einem weiteren Summierer von dem gemeinsamen Signal
abgezogen wird, das zwecks ergänzung durch eine zweite Komponente zunächst mit einem
zweiten Faktor verstärkt wird.
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Die ridung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dar gestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Strukturschaltbild eines bekannten Meßwertumformers,
Fig. 2 ein Strukturschaltbild einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Meßwertumformers,
Fig. 3 ein Beistungs-Zeit-Diagramm für einen Sonderfall für die erste Variante nach
Fig. 2
Fig. 4 ein Strukturschaltbild einer zweiten Variante des
erfindungsgemäßen Meßwertumformers und Fig. 5 ein Leistungs-Zeit-Diagramm für die
zweiteVariante für einen Sonderfall entsprechend Fig. 3.
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Figur 1 ist bereits oben erläutert.
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Der erfindungsgemäße Meßwertumformerkann in analoger oder digitaler
Schaltungstechnik hinsichtlich beider Ausführungsvarianten realisiert werden. Die
erste Variante ist im Beispiel in Analog-Technik ausgeführt und soll anhand von
Fig. 2 erläutert werden.
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An zwei Eingänge 101 und 102 eines Multiplikators 103 sind die Ausgänge
von nicht dargestellten Meßwertgebern für den Strom i und die Spannung u angeschlossen,
wobei am Spannungs-Eingang 101 ein erster Verzweigungspunkt 104 liegt. Dem Multiplikator
103 folgt im Signalzug ein Integrator 105 mit einem Rücksetzeingang 106 und einem
Löscheingang 107. Am Ausgang 108 des Integrators 105 liegt ein zweiter Verzweigungspunkt
109.
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An den ersten Verzweigungspunkt 104 sind ein ausgangsseitiger Multiplikator
110 und ein Analog-Digitalschalter 111 angeschlossen, an dessen Ausgang ein monostabllesKippglied
112 liegt. Hinter dem letzteren befindet sich ein dritter Verzweigungspunkt 113,
an den ein Verzögerungsglied 114- angeschlossen ist. Diesem folgen in Signalflußrichtung
ein vierter Verzweigungspunkt 115, ein Frequenzvervielfacher 116 und der Steuereingang
117 eines Totzeitgliedes 118, dessen Eingang an den zweiten Verzweigungspunkt 109
und dessen Ausgang an eiren Inverter 119 angeschlossen ist.
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Der dritte Verzweigungspunkt 113 ist zusätzlich mit den Steuereingang
120 eines Abtast-Haltegliedes 121 verbunden, an dessen
Arbeitseingangder
zweite Verzweigungspunkt 109 liegt. Der vierte Verzweigungspunkt 115 ist zusätzlich
mit dem Rücksetzeingang 106 des Integrators 105 verbunden.
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Der Ausgang des Inverters 119, der zweite Verzweigungspunkt 109 und
der Ausgang des Abtast-Haltegliedes 121 sind an Eingänge 122bis 124 eines Summierer
125 angeschlossen, dessen Ausgang 126, ebenso wie der erste Verzweigungspunkt 104,
an einem entsprechenden Eingang des ausgangsseitigen Multiplikators 110 mit einem
Ausgang 111 liegt, der mit einem nicht dargestellten Stromsollwertbildner verbunden
und weiter mit einem Zündimpulsbildner eines Halbleiter-Stellgliedes, z.B. eines
Vierquadrantenstellers, verbunden ist.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig.
2 erläutert: Die Größen u und i werden auf die beiden Eingänge 101, 102 des Analog-Multiplizierers
103 gegeben, der steuerbare Integrator 105 bildet aus dem Eingangssignal u . i die
Größe
Zum Rücksetzen des Integrators 105 nach jeder vollen Periode T auf den neuen Anfangswert
Null dient der Analog-Digitalschalter 111 und das monostabile Kippglied 112. Bevor
der Integrator 105 zum Zeitpunkt qT, etwas verzögert durch das Verzögerungsgled
114 auf Null zurückgesetzt wird, übernimmt das Abtast-Halteglied 121 die unmittelbar
vor dem Rücksetzen am Ausgang von Integrator 105 anstehende Größe
hält diesen Wert während der folgenden Periode und gibt ihn an
den dritten einen Eingang 124 des Summierer 125 weiter, dessen zweiter Eingang 123
das Ausgangssignal des Integrators 105 erhält. Dieses Ausgangssignal wird außerdem
auf den Eingang des Totzeitgliedes 118 mit nachgeschaltetem Inverter 119 gegeben.
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Als Totzeitglied wird ein durch Taktimpulse steuerbarer Serien-Analog-Verzögerungsschaltkreis
in 11BucketBrigadeTec}uiik1t (Reticon "Sad-1024 Dual 512 Stage analog das Line'(Firmen-Applikation)
) verwendet. Die Taktimpulse werden über den Frequenzvervielfacher 116 aus den Rücksetzimpulsen
erzeugt, wobei der Vervielfachungsfaktor n gleich der Stufenzahl des Totzeitgliedes
118 ist, so daß die Totzeit genau gleich einer Netzperiodendauer ist. Dem ersten
Eingang 122 des Summierers 125 wird demnach das Signal
zugeführt.
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Der Ausgang 126 des Summierer 125 liefert dann das gewünschte Signal
Pw
Um den gesuchten Anteil iw des Stromes i zu erhalten, wird im Multiplizierer 110
die Größe T . Pw mit der Größe u multipliziert, das Ergebnis T . Pw . u stimmt mit
iw bis auf den Faktor U2. T überein, der nachfolgend eliminiert werden kann.
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Wenn die Größen u und i Mehrphasensysteme bilden, ist die Anordnung
nur dadurch abzuwandeln, daß je Phase ein Multiplizierer 103 vorzusehen ist und
daß dem Integrator 106 dann die Summe aler Produkte zuzuführen ist.
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Betrachtet man das Zeitverhalten des vorbeschriebenen Meßwertumformers
gemäß Fig. 2, z.B. für den Sonderfall, daß die Summe der Produkte u . i vom Wert
Null auf einen konstanten Wert springt, so zeigt die Ausgangsgröße den in Fig. 3
dargestellten Zeitverlauf. Genau eine Periodendauer T nach der sprungartigen Anderung
der Größe u. i hat die Ausgangsgröße ihren stationären Endwert erreicht. Vergleicht
man die Wirkarbeit',
mit mit der wirklichen Arbeit
so stellt man eine Differenz. fest, die der Fläche zwischen den beiden in Fig. 3
dargestellten Kurven entspricht. In manchen Anwendungsfällen ist nicht nur zu fordern,
daß der Meßumformer möglichst schnell den richtigen Wert der Wirkleistung liefert,
sondern daß zusätzlich das Zeitintegral der Meßgröße
mit dem Zeitintegral der Produktsumme der Eingangsgröße
übereinstimmt.
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Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, mit dem diese Forde nlg erfüllt
werden kann. Um zu zeigen, daß der Erfindungsgedanke sich nicht nur mit analog arbeitenden
Schaltungselementen verwirklichen läßt, ist in Fig. 4 eine Schaltung dargestellt,
die vorwiegend digital arbeitende Schaltungselemente enthält. Die Funktionselemente
sind analog zu den entsprechenden Elementen der in Fig. 2 dargestellten Anordnung
beziffert. Der Schalbuogsw aufbau ist ähnlich demjenigen der Fig. 2, so daß Details
bei der nachfolgend beschriebenen Wirkungsweise erläutert sind.
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Die Gesamtleistung Z u . i wird entsprechend der allgemein bekannten
Aronschaltung mit den zwei Multiplizierern 103 und 103a gebildet, deren Ausgänge
als Summanden dem Integrator 105 zuge führt werden.
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Dem periodisch steuerbar zurücksetzenden Integrator 105 folgt ein
m-Bit-Analog-Digital-Wandler 130. Die Steuerimpulse fllr die Analog-Digital-Wandlungwerden
wie oben beschrieben im Analog-Digitalschalter 111 und im Kippglied 112 erzeugt.
Der Rücksetzimpuls für den Integrator 105 wird im Verzögerungsglied 114 um die Analog-Digital-Wandlungszeit
verzögert. Die nachgeschalteten Funktionsgruppen 121, 125a bis 125e, 118 bilden
auf digitaler Basis die Funktionen der analogen Funktionsglieder 121, 125, 118 in
Fig. 2 nach. Das Funktionsglied 121 als Abtast-Ealteglied ist ein. m-Bit-Parallelschieberegister.
Das Funktionsglied 118 als Totzeitglied besteht aus n in Reihe geschalteten
m-Bit-Parallelschieberegistern.
Die Funktionsglieder als Summierer 125b und 125c beinhalten m-Bit-Volladdiererwobei
in 125c zur Subtraktion eine Eomplementbildung erfolgen muß.
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Durch eine m-Bit-Digital-Analog-Wandlung des Ausganges des Volladdierers
125b in einem Digital-Analogwandler 125d wird das Pw analoge Signal entsprechend
dem Ausgang 126 des Summierers 125 in Fig. 2 gewonnen.
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Mit k.n in Reihe geschalteten m-Bit-Parallelschieberegistern 131,
einem Digital-knalog-Wandler 132, einem Inverter 125e sowie dem dem Digital-Analog-Wandler
125d nachgeschalteten Summierer 125a mit den Bewertungsfaktoren c1 = V1 und c2 =
1 + V2 wird die Gleichheit der Wirkarbeit
und der wirklichen Arbeit
zwischen stationären Zuständen erreicht. Die k..nin Reihe geschalteten Parallelschieberegister
131 stellen ein weiteres Totzeitglied mit der Totzeit Tt = k . T dar.
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Zwischen den Parametern V1, V2 und Tt = k .T soll vorzugsweise folgender
Zusammenhang bestehen V1 = 1/2k V2 = 1/2k 2k
Ein hinsichtlich der
allgemeinen Meßanforderung besonders günstiges dynamisches Verhalten und die Bedingung,
daß k.n eine ganzzahlige Anzahl Register des weiteren Totzeitgliedes 131 sein muß,
wird durch k = 0,5 erreicht, wobei für n die Bedingung einer geraden Zahl eingehalten
werden muß. An den zweiten Eingängen der ausgangsseitigen Multiplikatoren 110, llOa
liegen die Leiterspannungen UR0 bzw. U50 als Bezugsgrößen. Die Multiplikatoren 110
und 110a und ein ausgangsseitig an deren Ausgängen liegender Summierer 133 bilden
die zum Drehspannungssystem proportionalen Stromanteile: iRw . U2T.3 bzw. iSwU2T.3
bzw. iTw U2T.3.
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Figur 5 zeigt die Wirkungsweise des Ausgleichsgliedesunter gleichen
Voraussetzungen wie beim Beispiel von Fig. 3. Zur Zeit t = t1 wird azird p =u.=
# u. i sprungförmig aufgeschaltet.
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Zeit t = t1 wird p Die Differenzfläche zwischen p (t) und Pw(t) wird
durch das Ausgleichsglied ausgeglichen. Das Integral der wirklichen Arbeit
ist gleich dem Integral der Wirkarbeit
Nach t = t1 + 3 T hat der ermittelte Wert Pw* den stationären 2 Wert von Pw angenommen.
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Entsprechendes gilt für ein sprungförmiges Abschalten von # u .i zur
Zeit t = t2 wobei der stationäre Wert von Pw* ebenfalls nach t= t2 + 3/2 T erreicht
ist.